特許 7568288 パターン積層によるアノードの製造方法、その方法によって製造されるアノード、および、そのようなアノードを組み込んだ電気化学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】パターン積層によるアノードの製造方法、その方法によって製造されるアノード、および、そのようなアノードを組み込んだ電気化学装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/1395 20100101AFI20241008BHJP

   H01G 11/28 20130101ALI20241008BHJP

   H01G 11/30 20130101ALI20241008BHJP

   H01G 11/32 20130101ALI20241008BHJP

   H01G 11/70 20130101ALI20241008BHJP

   H01G 11/86 20130101ALI20241008BHJP

   H01M 4/134 20100101ALI20241008BHJP

   H01M 4/40 20060101ALI20241008BHJP

   H01M 4/64 20060101ALI20241008BHJP

   H01M 4/66 20060101ALI20241008BHJP

   H01M 4/74 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01M4/1395

H01G11/28

H01G11/30

H01G11/32

H01G11/70

H01G11/86

H01M4/134

H01M4/40

H01M4/64 A

H01M4/66 A

H01M4/74 C

【請求項の数】 29

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021185810

(22)【出願日】2021-11-15

(65)【公開番号】P2022158857

(43)【公開日】2022-10-17

【審査請求日】2022-01-31

【審判番号】

【審判請求日】2023-12-13

(31)【優先権主張番号】63/170,207

(32)【優先日】2021-04-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/314,797

(32)【優先日】2021-05-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521500812

【氏名又は名称】エスイーエス ホールディングス ピーティーイー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＥＳ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｐｔｅ． Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】１ Ｒｏｂｉｎｓｏｎ Ｒｏａｄ，１８－００ ＡＩＡ Ｔｏｗｅｒ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ ０４８５４２

(74)【代理人】

【識別番号】100136319

【弁理士】

【氏名又は名称】北原 宏修

(72)【発明者】

【氏名】アルンクマル ティルバンナマライ

(72)【発明者】

【氏名】ヨンギュ ソン

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ローク

(72)【発明者】

【氏名】ジャクリン ホン

【合議体】

【審判長】井上 信一

【審判官】▲高▼橋 徳浩

【審判官】山本 章裕

(56)【参考文献】

【文献】特開平６－１４００２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０５４５９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１６４９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－３４９１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H01G 11/00-11/86

H01M 4/00- 4/84

H01M 10/00-10/0587

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１以上の電気化学装置のためのアノードを形成する方法であって、
前記アノードのそれぞれは、電気タブを有し、
前記方法は、
１）集電体ウェブを設けることと、
２）前記集電体ウェブの第１の側において、互いに間隔を置いた複数のアノード活物質パッチとして金属箔を前記集電体ウェブに積層させ、前記アノード活物質パッチと、前記金属箔を含んでいないパッチ間領域とを含むウェブ状アノード前駆体を設けることと、
３）前記ウェブ状アノード前駆体から前記アノードを形成し、前記アノードのそれぞれを対応する前記アノード活物質パッチから形成するようにすると共に、対応する前記電気タブを前記パッチ間領域の１から形成するようにすることと
を備え、
前記アノードを形成することは、前記ウェブ状アノード前駆体から前記アノードを分離させることを含み、
前記方法は、
４）前記金属箔を前記集電体ウェブに固定する前に、前記金属箔が前記集電体ウェブに固定される各位置に導電性コーティングを適用し、前記パッチ間領域のそれぞれに前記導電性コーティングを適用せず、前記アノード活物質パッチのそれぞれに対応する導電性コーティングパッチを形成することをさらに備える、
方法。

【請求項2】

前記導電性コーティングは、導電性粒子および結合剤を備える、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記導電性粒子は、導電性炭素粒子を備える、
請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記結合剤は、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン、カルボキシメチルセルロース、スチレン－ブタジエンゴムおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択される、
請求項２または３に記載の方法。

【請求項5】

前記導電性コーティングは、結合剤と、前記導電性コーティングの７０重量％～９０重量％の量の導電性炭素粒子とから構成される、
請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記導電性コーティングを適用することは、０．１μｍ～５μｍの硬化厚さを有するように前記導電性コーティングを適用することを含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記導電性コーティングを適用することは、０．５μｍ～２μｍの硬化厚さを有するように前記導電性コーティングを適用することを含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記導電性コーティングを適用することは、１μｍの硬化厚さを有するように前記導電性コーティングを適用することを含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記金属箔を前記集電体ウェブに固定する前に、前記導電性コーティングパッチを使用して前記金属箔のシートを前記導電性コーティングパッチと位置合わせさせることをさらに備える、
請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記導電性コーティングパッチを使用して前記金属箔のシートを前記導電性コーティングパッチと位置合わせさせることは、光学検出器を使用して前記導電性コーティングパッチのそれぞれの縁を検出することを含む、
請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記導電性コーティングパッチのそれぞれは、サイズおよび形状を有し、
対応する前記アノード活物質パッチは、それに位置合わせされ、前記導電性コーティングパッチのサイズおよび形状と同じサイズおよび形状を有する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記集電体ウェブは、幅および長さを有し、
前記アノード活物質パッチは、前記パッチ間領域がそれらの間に位置する状態で前記集電体ウェブの長さに沿って互いに離間される、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

前記アノード活物質パッチのそれぞれは、前記集電体ウェブの幅と同じ方向における幅を有し、
前記アノード活物質パッチのそれぞれの幅は、前記集電体ウェブの幅の少なくとも９５％である、
請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記電気タブのそれぞれは、タブ長さを有し、
前記方法は、隣接する前記アノード活物質パッチを、前記タブ長さ以上の最小距離だけ互いに離間させることをさらに備える、
請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項15】

前記方法は、ロールツーロール処理で実行され、
前記集電体ウェブは、連続的なリボンとして設けられる、
請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項16】

互いに間隔を置いて配置されると共に前記集電体ウェブの第１の側において隣接する前記アノード活物質パッチのそれぞれに対応する位置に配置される複数の裏側アノード活物質パッチとして、前記第１の側の反対側である前記集電体ウェブの第２の側において前記金属箔を前記集電体ウェブに固定することをさらに備える、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項17】

前記アノードのそれぞれは、活性領域を有し、
前記方法は、対応する前記アノード活物質パッチのどれかをサイズ調整し、前記アノードの活性領域に一致させるようにすることをさらに備える、
請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記アノードは、前記アノード活物質パッチに対して１：１の比率で形成される、
請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記アノードは、前記アノード活物質パッチに対して２：１の比率で形成される、
請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項20】

前記パッチ間領域のそれぞれは、対応する前記アノードのどれかの単一電気タブを形成するために使用される、
請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項21】

前記パッチ間領域のそれぞれは、前記パッチ間領域を画定する前記アノード活物質パッチのどれかにそれぞれ対応する２つの前記電気タブを形成するために使用される、
請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項22】

前記金属箔は、リチウムを備え、
前記アノードのそれぞれは、少なくとも２０ｍｍの幅および少なくとも１２０ｍｍの長さを有する、
請求項１から２１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項23】

前記集電体ウェブは、銅を備える、
請求項１から２２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項24】

前記金属箔は、リチウムを備え、
前記アノードのそれぞれは、少なくとも５０ｍｍの幅および少なくとも１５０ｍｍの長さを有する、
請求項１から２３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項25】

前記集電体ウェブは、固体金属箔を備える、
請求項１から２４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項26】

前記集電体ウェブは、有孔金属箔を備える、
請求項１から２４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項27】

前記集電体ウェブは、金属メッシュを備える、
請求項１から２４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項28】

前記集電体ウェブは、４μｍ～１０μｍの範囲の厚さを有する、
請求項１から２７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項29】

前記アノード活物質パッチのそれぞれは、１５μｍ～２５μｍの範囲の厚さを有する、
請求項１から２８のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

＜関連出願への相互参照＞
本出願は、２０２１年４月２日に出願された「ANODE FABRICATION BY PATTERN LAMINATION, ANODES MADE THEREBY, AND SECONDARY BATTERIES CORPORATING SUCH ANODES」という名称の米国仮特許出願第６３／１７０，２０７号の優先権の利益を主張する。そして、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は一般に、電気化学装置の分野に関する。特に、本開示は、パターン積層によるアノードの製造方法、その方法によって製造されるアノード、および、そのようなアノードを組み込んだ電気化学装置を対象とする。

【背景技術】

【0003】

充電式または二次リチウム金属バッテリーでは、現在のリチウムイオンバッテリーより体積および重量エネルギー密度が高い。グラファイトのようなインターカラント物質から形成されるアノード（負極）を含むリチウムイオンバッテリーとは異なり、典型的な二次リチウム金属バッテリーでは、リチウム箔（アノード活物質）が銅箔（集電体）の両面に積層し、従来のリチウム－銅－リチウム（Ｌｉ／Ｃｕ／Ｌｉ）アノード構造が形成される。しかし、リチウムは柔らかくて粘着性があり、１２０ｍｍ以上の幅を有する極薄（５０ｕｍ未満の厚さ）のリチウム箔を製造することは、従来のロール圧延処理では困難である。その結果、その幅の制約は、積層技術を用いて構築され得るアノードおよびセルのサイズを制限する。

【0004】

図１Ａおよび図１Ｂは、銅箔ウェブ１６の両側に極薄リチウム箔リボン１４Ａおよび１４Ｂを連続的に積層させてウェブ状アノード前駆体１８を形成することを含むロールツーロール処理１２を用いて従来のＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノード（破線領域１０によって表される）を製造する従来の手法を示す。銅箔ウェブ１６の幅Ｗｗは通常、リチウム箔の幅Ｗｆよりも広く、積層構造は通常、銅箔ウェブの少なくとも１つの縁部に沿ってむき出しの銅領域１６Ａを有する。Ｌｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノードが、積み重ねられた電気化学セルの「ゼリーロール」に組み立てられるとき、むき出しの銅領域１６Ａが、電気タブ１０Ａを形成するために設けられ、アノード前駆体１８から打抜かれるＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノード１０への電気的接触が可能になる。電気タブ１０Ａがなければ、積み重ねられたゼリーロールにおけるＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノード１０の複数の層を、完成した電気化学セルにおける外部電気リード線（図示せず）に接続することは困難となる。上述したように、リチウムの物理的特性のために、リチウム箔ウェブ１６の幅Ｗｆは、所望の極薄リチウム箔を使用する場合には約１２０ｍｍに制限され、このことは、従来のロールツーロール積層技術を使用して作製され得るＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノード（図１Ａおよび図１ＢのＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノード１０など）のサイズを制限し、このことに対応して、極薄リチウム金属アノードで作製され得るリチウム金属電気化学セル（図示せず）（例えば、二次リチウム金属バッテリーセル）のサイズが厳しく制限される。今度は、この制限が、電気自動車のような、実用可能な動作のために高容量バッテリーを必要とする用途のためのリチウム金属二次セルの開発を特に妨げている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の課題は、１以上の電気化学装置のためのアノードを形成する方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施態様では、本開示は、１以上の電気化学装置のためのアノードを形成する方法を対象とする。ここで、前記アノードのそれぞれは、電気タブを有する。この方法は、１）集電体ウェブを設けることと、２）前記集電体ウェブの第１の側において、互いに間隔を置いた複数のアノード活物質パッチとして、金属箔を前記集電体ウェブに積層させ、前記アノード活物質パッチと、前記金属箔を含んでいないパッチ間領域とを含むウェブ状アノード前駆体を設けることと、３）前記ウェブ状アノード前駆体から前記アノードを形成し前記アノードのそれぞれが対応する前記アノード活物質パッチから形成するようにすると共に、対応する前記電気タブ前記パッチ間領域の１から形成するようにすることとを含む。また、前記アノードを形成することは、前記アノードを前記ウェブ状アノード前駆体から分離させることを含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本開示の局面を説明するために、図面は、本開示の１つまたは複数の実施形態の特徴および／または特性を例示する。しかし、図面に示される正確な配置および手段に本開示が限定されないことを理解されたい。

【図1A】従来のロールツーロール積層処理における従来のウェブ状アノード前駆体の一部の平面図である。なお、ウェブ状アノード前駆体からＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノードが打ち抜かれる前のＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノードが示されている。

【図1B】アノードがウェブ状アノード前駆体から打ち抜かれる前における、図１Ａの線１Ｂ－１Ｂに沿って切られた従来のＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉウェブ状アノード前駆体の拡大誇張断面図である。

【図2】本開示の例示的なアノード形成積層方法を示すフロー図である。

【図3A】例示的なウェブ状アノード前駆体およびそれから除去される例示的なアノードの部分平面図である。なお、これらは、任意の導電性コーティングパッチの適用からアノード活物質パッチの積層まで、ウェブ状アノード前駆体からアノードを除去するための処理の異なる段階で示されるウェブ状アノード前駆体を用いた図２の方法を使用して作製され得る。

【図3B】図３Ａの線３Ｂ－３Ｂに沿って切られた図３Ａの例示的なアノードの拡大誇張断面図である。

【図4】図２の例示的なアノード形成積層方法を実施する例示的なロールツーロール積層処理の高レベル概略図である。

【図5A】ウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域およびアノード活物質パッチ（および、使用される場合、導電性コーティングパッチ）の代替配置例を示す異なるウェブ状アノード前駆体の部分平面図である。

【図5B】ウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域およびアノード活物質パッチ（および、使用される場合、導電性コーティングパッチ）の代替配置例を示す異なるウェブ状アノード前駆体の部分平面図である。

【図5C】ウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域およびアノード活物質パッチ（および、使用される場合、導電性コーティングパッチ）の代替配置例を示す異なるウェブ状アノード前駆体の部分平面図である。

【図5D】ウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域およびアノード活物質パッチ（および、使用される場合、導電性コーティングパッチ）の代替配置例を示す異なるウェブ状アノード前駆体の部分平面図である。

【図5E】ウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域およびアノード活物質パッチ（および、使用される場合、導電性コーティングパッチ）の代替配置例を示す異なるウェブ状アノード前駆体の部分平面図である。

【図6】本開示の導電性コーティング層がある場合とない場合における例示的なＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノードのサイクル寿命性能を比較している放電容量対サイクル寿命のグラフである。

【図7】本開示に従って作製された複数のアノードを用いて作製された電気化学セルの高レベル断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

いくつかの局面では、本開示は、特定の積層技法を使用して、１つまたは複数の電気化学装置のためのアノードを形成する方法を対象とする。本開示のアノード形成積層方法から恩恵を受け得る電気化学装置の例は、金属ベースの二次バッテリーおよびスーパーキャパシタを特に含む。この文脈において、「金属ベース」は、アノード活物質である少なくとも１つの金属層を各々が備える１つ以上のアノードを論点の電気化学装置が有することを意味する。金属層に用いられ得る金属の例として、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウムおよびアルミニウム、または、これらの金属を含む合金が特に挙げられるが、これらに限定されない。後述するように、いくつかの実施形態では、本開示のアノード形成積層方法により、金属アノード、特にリチウム金属アノードなどのアルカリ金属アノードは、同じアノード活性金属を使用して作製される従来の積層アノードよりも大きいサイズで作製される。このようなより大きなサイズは、例えば、従来の二次バッテリーの限界を克服するより高容量の二次バッテリーに繋がる。当業者であれば容易に理解するように、本明細書に開示される積層技術は、費用効果を高め得て、製造コストは、電気自動車などの高エネルギーを要求する用途に必要な大容量二次バッテリーを製造するための特に重要なパラメータである。

【0009】

いくつかの局面では、本開示は、集電体と、集電体の片側または両側における金属アノード活性層と、集電体と各金属アノード活性層との間に位置する導電性コーティング（または単に「伝導性コーティング」）とを含むアノードを対象とする。いくつかの実施形態では、導電性コーティングは、導電性炭素ベースのコーティングであり、これは、１つ以上の形態の導電性炭素、結合剤、および、任意選択による１つ以上の金属の粒子を含み得る。他の実施形態では、導電性コーティングは、１つ以上の金属の粒子および結合剤のみを含み得る。いくつかの実施形態では、導電性コーティングは、集電体へのアルカリ金属層の固定を改善する。例えば、製造された従来の積層アノードでは、銅集電体に適用されるリチウム金属層は銅集電体に必ずしも結合するとは限らず、取り扱い中にそれらが銅集電体から剥離することを当業者は理解するであろう。本開示の導電性コーティングを使用することは、この剥離を防止し得る。また、リチウム金属層が、サイクル時に多孔質の苔状構造にほとんど変換される場合に、本開示の導電性コーティングは、リチウム金属層との接触を維持するように機能し得る。また、本開示の導電性コーティングを使用することは、集電体ウェブ上にアノード活物質の金属箔シートを配置するのを助け得て、および／または、導電性コーティングのいくつかの実施形態の優れた接着特性を活用する新しい製造技術を可能にし得る。導電性コーティングを含む本開示の金属ベースのアノードは、本明細書に開示されるアノード形成積層方法のいずれか１つ、または、任意の適切な従来の方法などの任意の適切な方法を使用して作製され得る。

【0010】

さらに他の局面では、本開示は、本明細書に開示される方法のいずれかを使用して、および／または、本明細書に開示される導電性コーティング含有アノードのいずれかを使用して電気化学装置を作製する方法を対象とすると共に、本開示の方法を使用して、および／または、本明細書に開示される導電性コーティング含有アノードのいずれかを使用して作製される電気化学装置を対象とする。本開示の上記および他の局面は、以下に詳細に記載される。

【0011】

より詳細な説明を続ける前に、本開示全体を通して、用語「約」は、対応する数値と共に使用される場合、数値の±２０％、典型的には数値の±１０％、多くの場合には±５％、より多くの場合には数値の±２％を指すことに留意されたい。いくつかの実施形態では、用語「約」は、数値自体を意味し得る。また、本開示のアノードを形成するために使用される用語「側面」は、本開示のアノードまたは任意の他の構造もしくはその領域のアノード、層、コーティング、箔、ウェブ、リボン、または、任意の他の構成要素、もしくは、その領域を指す場合、構成要素または構造の縁の間において構成要素または構造の厚さに垂直な方向に延びる構成要素または構造の広がりを指すことに留意されたい。言い換えれば、本開示の文脈において、構成要素または構造の「側面」は、構成要素または構造の厚さによって分けられている。

【0012】

ここで、図２、３Ａ、３Ｂおよび４を参照し、各要素の数字の最初の桁はその要素が最初に示される図に対応することにそれ相応に留意されたい。図２は、１つ以上の電気化学装置（図示せず）のためのアノード３００（１つだけ分離されて示される）を形成する例示的なアノード形成積層方法２００を示し、図３Ａおよび３Ｂは、この方法を使用して作製されたウェブ状アノード前駆体３０４およびアノード３００を示し、図４は、アノード形成積層方法２００の様々なステップを実行するための例示的なロールツーロール（Ｒ２Ｒ）処理システム４００を示す。アノード形成積層方法２００は、全てが互いに同じサイズであり得るまたは異なるサイズであり得る複数のアノード３００を形成するために使用され得る。各アノード３００は、活物質領域３０８Ａと、活物質領域の延長部として形成される導電性タブまたは単に「タブ」３０８Ｂとを有する集電体３０８を含む。活物質領域３０８Ａは、アノード設計の要件に応じて、集電装置３０８の片側または両側におけるアノード３００に積層されたアノード活物質３１２を含む。活物質領域３０８Ａは、活物質領域からタブ３０８Ｂが延びる方向Ｄｔに平行な方向における長さＬａを有する。長さＬａは、例えば、活物質３１２の厚さＴａｍが約５０μｍ以下、約１５ μｍ～約２５ μｍまたは約２０μｍ以下である場合、約５０ｍｍ～約８００ｍｍ、約１００ｍｍ～約６００ｍｍまたは約１００ｍｍ以上などの任意の適切な長であり得る。長さＬａに垂直な方向における活物質領域３０８Ａの幅Ｗａは同様に、例えば、厚さＴａｍが約５０μｍ以下、約１５ μｍ～約２５ μｍまたは約２０μｍ以下である場合、約１０ｍｍ～約２００ｍｍ、約２０ｍｍ～約１５０ｍｍまたは約１２０ｍｍ未満などの任意の適切な幅であり得る。いくつかの実施形態では、幅Ｗａは、２００ｍｍよりも大きい幅を含む従来の箔形成技術を用いて、選択されたアノード活物質から形成され得る所与の厚さにおける箔の最大幅であり得る。例えば、リチウム箔の現在の最大幅は、約５０μｍ以下の厚さについて約１２０ｍｍであるが、将来の技術は、より大きな幅を可能にし得て、本明細書に開示される技術は、それらの技術に容易に追いつくことができる。

【0013】

厚さＴａｍが約５０μｍ以下である場合、特に、実際上電流限界である１２０ｍｍより大きい幅を有するリチウム箔を製造する方法が工業的に考案される場合、本開示の方法は、例えば、約１５０ｍｍ(Ｗａ(図３Ａ））×約６００ｍｍ(Ｌａ(図３Ａ））までの面積寸法またはそれより大きい面積寸法を有するアノード３００のリチウムベース版などのリチウムアノードの製造を可能にする。一例では、従来の積層処理は、リチウム厚さが２０μｍで面積サイズが約５３ｍｍ×４５ｍｍのＬｉ／Ｃｕ／Ｌｉアノードを生じさせ、一方、本開示の積層方法、例えば、図２の積層方法２００は、同じリチウム厚さ（Ｔａｍ）において５５０ｍｍの活性領域長さＬａおよび１０７ｍｍの活性領域幅を有するアノード３００を生じさせた。アノードのサイズに応じて、セル容量（Ａｈ）およびエネルギー（Ｗｈ）は、任意の導電性コーティングパッチ３２８（以下を参照）の有無に関わらず、本開示に従って作製されるアノード３００で組み立てられる二次バッテリーにおいてそれ相応にはるかに高くなる（例えば、２５倍以上、５０倍以上またはそれ以上）。電気自動車のような高エネルギーを要求する用途に必要とされる容量１００Ａｈを超えるリチウム金属二次バッテリーは、開示された方法論を用いて構築され得る。比較例として、同数のスタック層について、５３ｍｍ×４５ｍｍのアノードは～４Ａｈのセルを形成し、一方、５５０ｍｍ×１０７ｍｍのアノードは～１００Ａｈのセルを形成する。加えて、大型セルは、より少ないパッケージングを必要とするので、これらのバッテリーの重量および体積エネルギー密度（それぞれＷｈ／ＫｇおよびＷｈ／Ｌ）もより高くなるであろう。例えば、上述の～４Ａｈ対～１００Ａｈのセルの例では、重量エネルギー密度が、より小さいセルからより大きいセルへと、約４００ Ｗｈ／ｋｇから約４１０ Ｗｈ／ｋｇに増加する。

【0014】

いくつかの実施形態では、アノード３００は、アノード活物質が存在する集電体の各側において、アノード活物質３１２と集電体３０８との間に導電性コーティング３１６を含み得る。導電性コーティング３１６が存在する場合、およびアノード活物質３１２が活物質領域３０８Ａとほぼ同一の広がりを有すること、すなわち、対応する活物質領域の長さＬａおよび幅Ｗａとそれぞれほぼ同じ長さＬｃｃおよび幅Ｗｃｃを有することが導電性コーティング３１６にとっては通常望ましい。図３Ａに見られるように、アノード３００は、ウェブ状アノード前駆体の対応するアノード領域３２０（１）から除去されたウェブ状アノード前駆体３０４から除去されたものとして示されている。また、図３Ａは、ウェブ状アノード前駆体から一旦除去されると２つの追加のアノード（図示せず）を生じさせるウェブ状アノード前駆体３０４におけるの２つの追加のアノード領域３２０（２）および３２０（３）を示す。各アノード領域３２０（１）～３２０（３）は、活性領域部分３２０Ａ（１）～３２０Ａ（３）と、タブ部分３２０Ｂ（１）～３２０Ｂ（３）とを含む。図３Ａにおいて、アノード領域３２０（２）は、活性アノード物質を含むと共に、除去される対応するアノードの準備ができているが、アノード領域３２０（３）は、まだ活性アノード物質を含まない。集電体３０８、アノード活物質３１２および導電性コーティング３１６のそれぞれの例示的な物質は、上記および下記の両方で言及される。

【0015】

ブロック２０５において、アノード形成積層方法２００は、集電体ウェブ３２４を設けるステップを含む。一実施形態では、図４に示すように、集電体ウェブ３２４は、図４のＲ２Ｒ処理システム４００に適した集電体物質のリボン４０４として設けられ得る。他の実施形態では、集電体ウェブ３２４は、集電体物質が個々のシートとして設けられるシート形態などの別の形態で設けられ得る。集電体ウェブ３２４は、金属、例えば特に銅、ニッケル、チタンまたはステンレス鋼などの任意の適切な導電性物質、または、任意の適切な金属合金から作製され得る。基本的に、集電体ウェブに使用される物質の種類は限定されない。集電体ウェブ３２４は、特に中実箔、多孔箔、織物メッシュまたは拡張メッシュなどの様々な形態のいずれかをとり得る。基本的に、集電体ウェブ３２４の形態に制限はない。任意のメッシュまたは他の開放構造は、全面積に対する開放面積の割合が約５％～約９５％の範囲であり得る。多孔メッシュは、使用される場合、従来の穿孔、回転式型抜き、電鋳、写真蝕刻およびレーザ切断を含むが、これらに限定されない様々な工程のいずれかによって作製され得る。いくつかの実施形態では、特に、アノード活物質の厚さＴａｍが約５０μｍ以下であり活物質がリチウムなどのアルカリ金属である場合、集電体ウェブ３２４は、約２０ｍｍ～約２００ｍｍの範囲の幅Ｗｗ、約１２０ｍｍ～約２００ｍｍの範囲の幅Ｗｗ、約１５０ｍｍ～約３００ｍｍの範囲の幅Ｗｗまたはそれより大きい幅Ｗｗを有する。集電体ウェブ３２４の長さは、リボンベース処理またはシートベース処理における図２のアノード形成積層方法２００など、本開示のアノード形成積層方法を実施するのに適応する任意の適切な長さであり得る。

【0016】

アノード３００の集電体３０８のタブ３０８Ｂは、集電体ウェブ３２４のむき出し領域３０４Ａ、すなわちアノード活物質が存在しない集電体ウェブの領域から形成され得て、任意の導電性コーティング３１６が使用される場合には導電性コーティング物質も存在しない。その結果、以下に説明するように、ウェブ状アノード前駆体３０４のアノード領域３２０のタブ部分３２０Ｂ（１）～３２０Ｂ（３）がむき出しであることが必要とされる。

【0017】

任意のブロック２１０では、例えば、完成したアノード３００が、集電体ウェブの片側または両側にアノード活物質を有するか否かに応じて、任意の導電性コーティングパッチ３２８が、集電体ウェブ３２４の片側または各側に適用される。図３Ａでは、単一の導電性コーティングパッチ３２８のみが示されているが、この例では同様の導電性コーティングパッチも集電体ウェブ３２４の反対側にある。設けられる場合、導電性コーティングは導電性コーティングパッチ３２８に設けられ、集電体ウェブ３２４のむき出し部分であるパッチ間領域３０４Ａに設けられ、ここで、アノード領域３２０のタブ部分３２０Ｂが配置されてそこからアノード３００のタブ３０８Ｂが形成される。各パッチ間領域３０４Ａは、それぞれのアノード３００において対応するタブ３０８Ｂの長さＬｔ以上のギャップ幅Ｗｇを有し得る。いくつかの実施形態では、ギャップ幅Ｗｇは、同じまたは似たような寸法であるタブ３０８Ｂの長さＬｔに基づいて、約１０ｍｍ～約３０ｍｍの範囲であり得る。他の実施形態では、各パッチ間領域３０４Ａのギャップ幅Ｗｇは、特定のアノード設計に適するように約３０ｍｍよりも大きくなるか約１０ｍｍよりも小さくなり得る。

【0018】

導電性コーティングパッチ３２８が集電体ウェブ３２４の両側に設けられる場合、同じアノード３００に対する導電性コーティングパッチは、互いに位置合わせされ、導電性コーティングパッチおよびパッチ間領域３０４Ａは、集電体ウェブ３２４の長さに沿って互いに同じ位置になる。いくつかの実施態様において、各導電性コーティングパッチ３２８の幅Ｗｃｃｐは、アノード３００の活物質領域３０８Ａの幅Ｗａとほぼ等しくなり、廃棄物を最小限にする。いくつかの実施形態では、各導電性コーティングパッチ３２８の幅Ｗｃｃｐは、活物質領域３０８Ａの幅Ｗａよりも、活物質領域３０８Ａの各側で約１ｍｍ～約３ｍｍまたはそれ以上大きくなって、アノード３００がウェブ状アノード前駆体３０４から除去されるときに導電性物質がアノードの切断縁部に存在することを確実にする。

【0019】

いくつかの実施形態では、各導電性コーティングパッチ３２８の幅Ｗｃｃｐは、特に、方法２００が使用されてアノード領域３２０の単一ラインからアノード３００が作成される場合、集電体ウェブ３２４の幅Ｗｗにほぼ等しい。いくつかの実施態様において、各導電性コーティングパッチ３２８の幅Ｗｃｃｐが集電体ウェブ３２４の幅の約９５％未満であるように作製され、廃棄物の取り扱いを容易にするために十分に集電体ウェブがそのままにされる。例えば、図４のＲ２Ｒシステム４００のようなＲ２Ｒシステムにおいてアノード３００が除去された後に残る集電体ウェブ３２４を十分に用いて、廃棄物物質を廃棄物収集ロール（図示せず）上に転がすことができる。いくつかの実施形態では、各導電性コーティングパッチ３２８の幅Ｗｃｃｐおよび／または対応するアノード活物質パッチ３３６の幅Ｗａａｍｐは、とりわけ、例えば、約０．９Ｗｗ＜Ｗｃｃｐおよび／またはＷａａｍｐ＜Ｗｗ、約０．９５Ｗｗ＜Ｗｃｃｐおよび／またはＷａａｍｐ＜Ｗｗ、または、約０．９８Ｗｗ＜Ｗｃｃｐおよび／またはＷａｍｐ＜Ｗｗなど、集電体ウェブ３２４の幅Ｗｗの１００％未満になるように作製される。いくつかの実施形態では、各集電体パッチ３２８の長さＬｃｃｐは、アノード３００の活物質領域３０８Ａの長さＬａとほぼ等しくなるようにされ、無駄が最小限に抑えられる。いくつかの実施形態では、各導電性コーティングパッチ３２８の長さＬｃｃｐは、活物質領域３０８Ａの長さＬａよりも、活物質領域３０８Ａの各側で約１ｍｍ～約３ｍｍ長くなって、アノード３００がウェブ状アノード前駆体３０４から除去されるときにアノードの切断縁部に導電性物質存在することが保証されることを確実にする。タブ３０８Ｂがある導電性コーティングパッチ３２８の縁部に沿って、導電性コーティングは、典型的にはアノード活物質パッチ３３６と同一平面上にあるべきであり、または、それを越えて最大で約１ｍｍ延びるべきである。典型的には、導電性コーティングパッチ３２８およびアノード活物質パッチ３３６がタブ３０８Ｂ上に約１．５ｍｍを超えて延在しないことが好ましい。そうでなければ、その「過剰である」物質は、タブ溶接工程を妨害し得る。

【0020】

各導電性コーティングパッチ３２８は、対応するアノード活物質パッチ３３６に関連して下塗剤として作用して、最終的なアノード３００におけるアノード活物質３１２と集電体３０８との間の低い接触抵抗を維持しながらそれらの間の接着を改善するのを助け得る。設けられる場合、各導電性コーティングパッチ３２８は、１つまたは複数の種類の導電性炭素粒子と、粒子を互い結合させると共に粒子を集電体ウェブ３２４に結合させるための適切な結合剤とを含む導電性炭素物質など、任意の適切な導電性物質から作製され得る。他の実施形態では、導電性炭素粒子は、金属粒子で増強され得る。一方、さらに他の実施形態では、金属粒子だけは、適切な結合剤と共に使用され得る。

【0021】

導電性炭素物質は、使用される場合、導電性炭素と結合剤物質とを水性または有機溶媒媒体中に混ぜて最終的に集電体ウェブ３２４に適用した後に乾燥させることによって用意されるスラリーとして提供され得る。用いることができる導電性炭素物質の例には、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブまたはそれらの混合物が含まれる。また、粉末形態の銀などの金属が導電性炭素と混合されて、導電性が高められ得る。結合剤物質の例としては、ＰＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＤＦ－ＨＦＰ(ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン）、ＣＭＣ(カルボキシメチルセルロース）およびＳＢＲ(スチレン－ブタジエンゴム）ならびにこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。

【0022】

上述のように、導電性コーティングパッチ３２８における結合剤は、アノード活物質パッチ３３６が集電体ウェブ３２４に良好に接着するのを助け得て、取り扱い中および使用中に集電体ウェブおよび集電体３０８からアノード活物質が剥離するのを防止し得る。導電性コーティングにおける導電性物質は、完成したアノード３００におけるアノード活物質３１２と集電体３０８との間の低い接触抵抗を維持するのに役立ち、これは、より良好な接着と共に、そのような導電性物質を組み込んだアノードを使用して作製された二次バッテリーにおけるセルサイクル性能を改善するのに役立つ。

【0023】

各導電性コーティングパッチ３２８の厚さは、他の範囲および値の中でも、例えば、約０．１ｕｍ～約５ｕｍの範囲、約０．５μｍ～約２ μｍの範囲、および、約１ μｍとなり得る。いくつかの実施態様において、アノード活物質の表面粗さ（Ｒａ、算術平均粗さ）がＸ μｍである場合、コーティングの厚さは、約０．２Ｘμｍから約２Ｘ μｍの範囲内であり得る。現在の根拠によると、いくつかの実施形態（リチウム箔がアノード活物質パッチ３３６に使用される実施形態を含む）において、各導電性コーティングパッチ３２８について約１μｍの厚さが、以下の考察に基づいて最適であり得ることが実証される。導電性コーティングパッチ３２８は、接着性および導電性を改善するのに十分な量である必要がある。しかし、より厚いコーティングは、副反応を発生させ、セルに不必要な重量および体積を加え得る。加えて、アノード活物質（例えば、リチウム）の平均表面粗さの変動に適応する最小厚さが存在し得る。この関係は、多くの因子に依存して直接的または反比例し得る。例えば、リチウムの状況では、リチウム金属は容易に変形し、より高い粗さを有するリチウム箔は、例えば、銅表面に容易に付着し得て、薄い導電性コーティングは、必要とされる全てであり得る。しかし、この関係は、リチウム箔の表面上に存在する任意の不活性化層によってさらに複雑になり得る。これは、元のリチウム表面が銅表面に良好に結合し得るためである。しかし、ほとんどのリチウム箔は、所定供給元の特定の製造プロセスに応じて異なる化学的性質および厚さの値を有する表面不活性化層を有する。その結果、関連する特定の事実に応じて最適な厚さに変動があり得る。

【0024】

それぞれの導電性コーティングパッチ３２８における導電性コーティング物質の面積負荷は、いくつかの実施形態では約０．１ｇ／ｍ^２～約２ｇ／ｍ^２であり得て、いくつかの実施形態では約０．５ｇ／ｍ^２であり得る。いくつかの実施形態では、それぞれの導電性コーティングパッチ３２８の表面抵抗率は、約１μｍのコーティング厚さに対して約３０オームパースクエア未満であり得て、表面抵抗は、約３×１０^－３オーム－ｃｍ未満であり得る。一般に、表面抵抗率の単位はオームパースクエアであり、表面抵抗は、導電性コーティングパッチが厚くなるほど抵抗率が低くなるように各導電性コーティングパッチ３２８の厚さに依存する。したがって、約１μｍ以外の厚さでは、表面抵抗率は、３０オームパースクエアとは異なることになる。いくつかの実施形態では、導電性コーティング物質における導電性物質（例えば、導電性炭素、導電性金属またはそれらの組み合わせ）の量は、約５重量％～約９５重量％の範囲、または約７０重量％～約９０重量％の範囲であり得る。

【0025】

導電性コーティングパッチ３２８を使用する利点の一例として、アノード活物質がリチウムであり集電体ウェブ３２４が銅であるという状況において、新しいリチウムは、典型的には銅表面によく接着する。しかし、従来のリチウム箔の表面に典型的に存在する不活性化層は、銅へのそれの接着を阻害する。不活性化層の組成は、リチウム箔が製造中に最初に暴露された雰囲気に依存し、典型的には、炭酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウムおよび窒化リチウムなどの塩から作製される。さらに、リチウム箔の表面はまた、リチウム箔を形成するために使用されるロール圧延処理からの残留潤滑油を有し得る。表面における不活性化層および／または残留油の存在は、積層中にリチウム箔が銅に良好に付着するのを妨げる。導電性コーティングパッチ３２８を設けることは、集電体ウェブ３２４に良好に接着してアノード活物質パッチ３３６が良好に接着する層を設けることによってこの問題を克服するのに役立つ。

【0026】

例えば、銅箔（集電体）に圧着されたリチウム箔（アノード活物質）のサンプルに剥離試験を適用し、サンプルの１つにおいてはリチウム箔を銅箔に直接適用し、サンプルのもう１つにおいてはリチウム箔と銅箔との間に導電性炭素コーティングを介在させた。ＳＣＯＴＣＨ（登録商標）テープ（ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能）の一片を、各サンプルのリチウム箔上に緩やかに押し当て、次いでゆっくりと剥がした。サンプルの１つに導電性コーティングが存在することを除いて２つのサンプル間における積層条件は同じであるにもかかわらず、銅箔に直接積層したリチウム箔は、テープとともに銅箔から剥がれ、一方、導電性炭素コーティングに積層したリチウム箔は、テープで剥がれず、導電性炭素コーティングと導電性炭素コーティング下の銅箔とに積層したままであった。なお、ＳＣＯＴＣＨ（登録商標）テープ以外の感圧テープが用いられ得ることに留意されたい。リチウム箔が銅箔に良好に接着される場合、剥離力は典型的には約２００ Ｎ／ｍより大きい。

【0027】

任意の導電性コーティングパッチ３２８を集電体ウェブ３２４に適用するために、例示的なＲ２Ｒシステム４００は、論点となる種類の導電性コーティング物質に適したコーティング塗布装置４０８を含み得る。例えば、コーティング塗布装置４０８は、特に、ナイフ型塗布器、スプレー塗布器またはローラ塗布器であり得る１つまたは複数のコーティング塗布器４０８Ａ（１）および４０８Ａ（２）を含み得る。使用され得るコーティング処理の例には、特に、スロットダイカスト、テープキャスティング、グラビア印刷、コンマコーティング、スプレーコーティングおよび浸漬コーティングが含まれる。基本的に、導電性コーティングパッチ３２８を適用し得る方法に制限はない。また、コーティング塗布装置４０８は、特にオープンマスクまたはシルクスクリーンなどの１つまたは複数のパターニング装置４０８Ｂ（１）および４０８Ｂ（２）を含み得て、導電性コーティングパッチが所望のサイズであることを確実にする。当業者は、ウェブ状アノード前駆体３０４における適切な位置で集電体ウェブ３２４に任意の導電性コーティングパッチ３２８を適用する方法、および、そのような適用に必要とされる適切なコーティング塗布装置４０８を容易に理解するであろう。そのため、各々の詳細な説明は、当業者が過度の実験なしに最大範囲まで本発明を実施するために必要ではない。

【0028】

ブロック２１５では、金属箔３３２は、対応するアノード活物質パッチ３３６（１つだけ示されているが、この例では別のアノード活物質パッチが集電体ウェブの反対側に存在する）として、集電体ウェブ３２４の片側または各側に積層される。まず、金属箔３３２の積層は、特定の用途において使用されるか否かに応じて導電性コーティングパッチ３２８を有するか否かを問わず、金属箔３３２を集電体ウェブ３２４と係合させることを含み得る。金属箔３３２の係合は、例えば、特に、一時的な保持基板からの移送を介して、またはピックアンドプレースシステムを介してなど任意の適切な方法で実行され得る。いくつかの実施態様において、金属箔３３２は、集電体ウェブ３２４と、または、存在する場合には各対応する導電性コーティングパッチ３２８とに強固に係合するように押し付けられ得る。このような押し付けは、例えば、とりわけローラープレスまたは固定プレスを使用するなどの任意の適切な方法で実施され得る。いくつかの実施態様において、金属箔３３２の積層は、ロール圧延機またはカレンダリング機を用いて実施され得て、積層圧力は、ロール間のギャップ設定によって決定される。いくつかの実施形態では、ローラによって加えられる圧力は、金属箔３３２を著しく変形させるべきではなく、すなわち、リチウム箔の厚さの減少、または、幅および／または長さの増加はわずかであるべきである。例えば、導電性コーティングパッチ３２８が存在する場合、対応するアノード活物質パッチ３３６における金属箔３３２は、通常、下層の導電性コーティングパッチの占有領域内に残ることが望ましい。いくつかの実施形態では、金属箔３３２の厚さの減少が金属箔の元の厚さの約１０％未満であり、金属箔の長さおよび／または幅の増加が約２％未満であることが望ましい。基本的には、金属箔３３２をウェブ状アノード前駆体３０４上に押し付け得る方法に制限はない。

【0029】

金属箔３３２は、他の範囲および値のうち、いくつかの実施形態では約１５μｍ～約２５ μｍの範囲、いくつかの実施形態では約２０ μｍ、いくつかの実施形態では約１０μｍ～約５０ μｍの範囲、いくつかの実施形態では約１ μｍ～約１００μｍの範囲の厚さを有し得る。これらの厚さは、純リチウムを含むリチウム含有箔、一般的なアルカリ金属ベースの箔、および、１つ以上の他の金属ベースの箔に特に適用可能である。現在の根拠によると、リチウム金属箔を含む金属箔３３２について約２０μｍの厚さが、アノード３００を使用して作製される電気化学セルの厚さに加えられる一方で、とりわけ、サイクル寿命、取り扱い性、コスト、重量およびメッキを含む様々な要因の最適なかね合いであり得ることが実証される。集電体ウェブ３２４の厚さは、他の範囲および値のうち、特に集電体ウェブが銅箔である場合を含めて、いくつかの実施形態では約４μｍ～１０ μｍの範囲、いくつかの実施形態では約６ μｍであり得る。現在の根拠によると、集電体の厚さ６μｍが例えば、重量、強度、エネルギー密度、積層の複雑さ、費用および厚さの最適なかね合いとなり得ることが実証される。

【0030】

いくつかの実施形態では、金属箔３３２は、アノード領域３２０（１）～３２０（３）の活性領域部分３２０Ａ（１）～３２０Ａ（３）のサイズ、または、対応する導電性コーティングパッチ３２８のサイズ、または、その両方のサイズにほぼ等しくなるように事前にサイズ決定され得る。このようなサイズ調整をすることは、例えば、一時的な基板からの移送処理において、または、緩やかな真空吸引を適切に使用するピックアンドプレース処理のようなピックアンドプレース処理において利用され得る。いくつかの実施形態では、金属箔３３２は、連続シートまたはリボンで設けられ得る。例えば、導電性コーティングパッチ３２８が使用され、それらが集電体ウェブ３２４のむき出し部分に比べて金属箔に対してかなりの接着力を提供する場合、アノード活物質パッチ３３６は、連続シートまたはリボンを集電体ウェブに押し付けると共に金属箔がうまく接着しない集電体ウェブの以前にむき出しであった部分から金属箔３３２の部分を除去することによって形成され得る。いくつかの実施形態では、各アノード活物質パッチ３３６の幅Ｗａａｍｐは、無駄を最小限にするために、アノード３００の活物質領域３０８Ａの幅Ｗａにほぼ等しい。いくつかの実施形態では、各アノード活物質パッチ３３６の幅Ｗａａｍｐは、活物質領域３０８Ａの幅Ｗａよりも、活物質領域３０８Ａの各側で約１ｍｍ～約３ｍｍ大きく、アノード３００がウェブ状アノード前駆体３０４から除去されたときにアノードの切断縁部に導電性物質が存在することを確実にする。

【0031】

いくつかの実施態様において、導電性コーティングパッチ３２８が使用され、使用される導電性コーティング物質が適切な特性を有する導電性コーティングパッチを提供する場合、方法２００は、任意選択のサブブロック２１５Ａにおいて、導電性コーティングパッチを使用して、金属箔３３２のシートを導電性コーティングパッチと位置合わせすることを含み得る。例えば、導電性コーティングパッチ３２８が、導電性コーティングパッチと下層の集電体ウェブ３２４との間において光学的コントラストのような機械検出可能なコントラストを提供する場合、適切な検出システムが提供されて、コントラストが感知されると共に、金属箔３３２のシートと導電性コーティングパッチとの位置合わせを制御する制御システムに位置情報が提供され得る。検出システムの一例は、各導電性コーティングパッチ３２８の１つまたは複数の縁部を検出して位置決めすることができる機会視覚システムである。

【0032】

図４および例示的なＲ２Ｒシステム４００を参照すると、Ｒ２Ｒシステムは、金属箔３３２（図４では一部にのみラベル付けされている）が集電体ウェブ３２４と係合して集電体ウェブ３２４に積層される積層領域４１２を含み得る。上述のように、積層領域４１２は、例えば、金属箔３３２が集電体ウェブ３２４に送達される方法、導電性コーティングパッチ３２８が使用されるか否か、および、金属箔が集電体ウェブに押圧される方法に応じて、多種多様な形態のいずれをとり得る。図４に示す実施形態では、金属箔３３２は、一対の仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）（集電体ウェブリボン４０４の各側に１つずつ）における個々の箔シート４１６（図４では一部にのみラベル付けされている）として送達され、この支持リボンは、箔シートが集電体ウェブリボンに積層される前に箔シートを比較的緩く保持する。また、図示の実施形態では、集電体ウェブリボン４０４と強固に係合するように箔シート４１６を押圧するローラープレス４２４が含まれ、アノード活物質パッチ３３６が形成される。

【0033】

この実施形態では、例えば、比較的少量の圧力を加えて箔シートを集電体ウェブリボンに輸送することができる一対の輸送ローラ４２８（１）および４２８（２）を使用して、箔シート４１６が集電体ウェブリボン４０４に送達される。集電体ウェブリボン４０４を有する箔シート４１６間の接着力が大きいため、特に導電性コーティングパッチ３２８が存在する場合、箔シートと仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）との間より、仮支持リボンは、今やウェブ状アノード前駆体３０４の一部であるアノード活物質パッチ３３６から容易に剥離し得る。いくつかの実施形態では、仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）における箔シート４１６間の間隔は、パッチ間領域３０４Ａに正確に一致する。他の実施形態では、仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）における箔シート４１６間の間隔は、パッチ間領域３０４Ａと一致し得ない。いくつかの実施形態では、仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）における箔シート４１６間の間隔がパッチ間領域３０４Ａに正確に一致するとき、仮支持リボン４２０（１）、４２０（２）および集電体ウェブリボン４０４の全ては、ローラープレス４２４を通り抜け得る。この場合、輸送ローラ４２８（１）および４２８（２）は省略され得る。

【0034】

さらに図４を参照すると、導電性コーティングパッチ３２８が使用される場合、例示的なＲ２Ｒシステム４００は、導電性コーティングパッチのそれぞれの対応するものと箔シート４１６を正確に位置合わせさせるために導電性コーティングパッチを利用する位置合わせシステム４３２を任意に含み得る。この位置合わせにより、アノード活物質シートがローラープレス４２４によって強固に積層される前に、各箔シート４１６が、導電性コーティングパッチ３２８の対応するものと適切で正確な位置合わせされ、対応するアノード活物質パッチ３３６が作成される。導電性コーティングパッチ３２８が、集電体ウェブ３２４のむき出しの物質に比べて、導電性炭素コーティングなどの視覚的に高コントラストの物質を備える場合、位置合わせシステム４３２は、各導電性コーティングパッチの少なくとも１つの縁部を検出して位置決めするために、１つまたは複数の光学センサ、ここでは２つの光学センサ４３２Ａ（１）および４３２Ａ（２）を含み得る。また、位置合わせシステム４３２は、１つ以上の制御器４３２Ｂ（１つのみ図示）と、仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）の各々を正確に前進させるように制御器が制御する１つ以上の作動器（ステップモータ（図示せず）など）とを含み得る。制御器４３２Ｂは、光学センサ４３２Ａ（１）および４３２Ａ（２）からの１つまたは複数の縁部についての位置情報と、仮支持リボン４２０（１）および４２０（２）の位置情報とを使用するようにプログラムされ得て、箔シート４１６と導電性コーティングパッチ３２４の対応するものとの位置合わせが正確に制御され得る。過度の実験をせずとも、導電性コーティングパッチ３２８を使用して箔シート４１６と導電性コーティングパッチ３２８との位置合わせを支援し得る様々なタイプの位置合わせシステムをどのように実装するかを、当業者であれば理解するであろう。

【0035】

例示的な方法２００はブロック２２０をさらに含む。ここで、アノード３００は、ウェブ状アノード前駆体３０４から形成される。アノードは、任意の適切な方法でウェブ状アノード前駆体３０４から形成され得る。その方法は、例えば、アノード領域３２０（１）～３２０（３）のアノード領域においてウェブ状アノード前駆体３０４を打ち抜き、せん断または他の方法で切断し、それから得られるアノード３００を画定して遊離させることなどである。これに関連して、図４は、アノード形成装置４３６を含むものとして例示的なＲ２Ｒシステム４００を示す。これは、一度に１つ以上のアノード３００を形成するように構成され得る任意の適切な自動の打ち抜き工具、せん断工具または他の切削工具を含み得る。過度の実験を必要とせずに適切なアノード形成装置４３６をどのように実施するかを当業者は容易に理解するであろう。形成されたアノード３００は、このように形成されたアノード３００を使用して１つ以上の電気化学装置（図示せず）を製造する次のステップで使用される状態であり得る。

【0036】

図５Ａ～５Ｅは、図３Ａのウェブ状アノード前駆体３０４におけるアノード領域３２０およびアノード活物質パッチ３３６（および存在する場合、導電性コーティングパッチ３２８）の配置の代わりに使用され得る様々なウェブ状アノード前駆体におけるアノード領域とアノード活物質パッチ（および存在する場合、下にある導電性コーティングパッチ）とのいくつかの例示的な代替配置を示す。図３Ａのウェブ状アノード前駆体３０４に関して示された配置の代替は図５Ａ～５Ｅの代替配置に限定されず、むしろ、これらは本開示に従ってアノードを形成する方法の柔軟性を示すために提供された例示的な配置であることに留意されたい。以下で図５Ａ～５Ｅを説明する際に、説明を簡略化するために、導電性コーティングパッチについては言及しない。しかし、上述したように、導電性コーティングパッチは、例えば、図２～４に関連して上述した方法で、対応するアノード活物質パッチの下に実際には存在し得る。また、図５Ａ～５Ｅの代替配置は、図に見られるようにアノード活物質パッチがウェブ状アノード前駆体の表側のみに位置するかのように記載されていることにも留意されたい。これはそうであってもよいが、ウェブ状アノード前駆体の裏側は同様に、ウェブ状アノード前駆体の表側においてアノード活物質パッチと位置合わせされて一致するアノード活物質パッチ（および任意選択で導電性コーティングパッチ）を有し得る。さらに、特に物質、厚さ、面積寸法および作製処理などのアノード領域およびアノード活物質パッチの異なる配置以外のすべての点で、図５Ａ～５Ｅにおけるアノード領域は、図３Ａのアノード領域３２０（１）～３２０（３）などに関して、本開示の他の箇所で説明されるアノード領域と同じまたは類似であり得ることに留意されたい。

【0037】

図５Ａは、アノード活物質パッチ５０４（１）～５０４（５）（実線）が下層の集電体ウェブ５０８上に単一の線で設けられる例示的なウェブ状アノード前駆体５００を示す。この例では、各アノード活物質パッチ５０４（１）～５０４（５）は、最終的にウェブ状アノード前駆体５００から除去される単一のアノード領域５１２（１）～５１２（５）（破線）を形成するために設けられ、対応するアノード（図示されていないが、図３Ａおよび３Ｂのアノード３００と同様である）が形成される。

【0038】

図５Ａを図３Ａと比較することによって分かるように、図５Ａのウェブ状アノード前駆体５００と図３Ａのウェブ状アノード前駆体３０４との間の違いは、間近に隣接して対となるアノード領域５１２（２）～５１２（５）のタブ部分５１２Ａ、ここでは５１２Ａ（２）～５１２Ａ（５）が同じパッチ間領域５１６、ここでは５１６（１）および５１６（２）に位置することである。パッチ間領域５２０、ここでは５２０（１）および５２０（２）は、タブ部分５１２Ａ（２）～５１２Ａ（５）の対を含むパッチ間領域５１６よりも小さくなり得るため、この配置は、集電体ウェブ５０８の無駄を少なくし得る。

【0039】

図５Ｂは、パッチ間領域５２０（図５Ａ）のサイズを最小化する特徴がこれらのパッチ間領域を完全に除去することによって図５Ｂにおいて極端にとられることを除いて、図５Ａと概ね同様である。このようにして、パッチ間領域５２０（図５Ａ）の反対側における各対のアノード活物質パッチ５０４（１）～５０４（４）は、図５Ｂにおいて、単一のアノード活物質パッチ５２４、ここでは５２４（１）および５２４（２）に効果的に結合され、この例では図５Ａのアノード活物質パッチ５０４（１）～５０４（５）の各々の約２倍のサイズである。この構成では、図５Ｂの各アノード活物質パッチ５２４は、２つのアノード領域５２８、ここではアノード活物質パッチ５２４（１）におけるアノード領域５２８（１）および５２８（２）、ならびに、アノード活物質パッチ５２４（２）におけるアノード領域５２８（３）および５２８（４）を形成するために設けられる。必要とされるアノード領域のサイズに対して使用されるアノード活物質の処理制限に応じて、図５Ｂの構成は達成不可能になり得る。例えば、アノード活物質がリチウムである場合、処理制限は、作製され得る図５Ａおよび５Ｂそれぞれのアノード活物質パッチ５０４および５２４などのアノード活物質パッチの長さを制限し得る。このような場合、アノード活物質パッチと、これらのアノード活物質パッチから作製されるアノード領域の数との間において、１：１の対応が存在する異なる構成（例えば、特に図３Ａおよび５Ａに示される構成のいずれか）を使用することが必要であり得る。

【0040】

図５Ｃ～図５Ｅは、それぞれ、図３Ａ、図５Ａおよび図５Ｂに示される例示的な構成の複数ラインの変形５３０、５５０、および５７０を示す。図５Ｃ～図５Ｅの複数ラインの変形５３０、５５０、および５７０を再検討する際、読み手は、図３Ａ、図５Ａおよび図５Ｂ、ならびに、対応する１ライン構成に関する情報についての対応する説明を参照することができる。これは、これらの複数ラインの変形のそれぞれが、より大きい（例えば、より広い）集電体ウェブ、ここではそれぞれ５３４、５５４、および５７４から開始すると共にこのようなより大きい集電体ウェブにおいて対応する１ライン構成を複数回繰り返すことによって、作製され得るためである。図５Ｃ～５Ｅの変形５３０、５５０および５７０の各々は、アノード活物質パッチ５４２（ここでは５４２（１）～５４２（６））、５６２（ここでは５６２（１）～５６２（１０））および５８２（ここでは５８２（１）および５８２（４））の２ライン５３８（１）および５３８（２）、５５８（１）および５５８（２）ならびに５７８（１）および５７８（２）を示すが、他の実施形態ではより多くのラインが設けられ得ることに留意されたい。一般に、実施されるライン５３８、５５８、および５７８の数に関する唯一の制限は、十分に大きい集電体ウェブ５３４、５５４および５７４の利用可能性、および、対応する製造装置を作製する能力である。また、本明細書で開示される他の実施形態と同様に、集電体ウェブ５３４、５５４および５７４のそれぞれは、使用される処理装置の種類に応じて、例えば、シート型またはリボン型であり得ることに留意されたい。例えば、リボン型集体ウェブは、図４のＲ２Ｒシステム４００に類似したＲ２ＲシステムのようなＲ２Ｒ処理に容易に適応される。

【0041】

図３Ａ～図５Ｅに示される実施形態の全てが、それぞれの図において均一な大きさとなるように、アノード領域の全て、および、それに対応するようにアノード活物質パッチ、任意の導電性コーティングパッチ（存在する場合）およびそこから形成されたアノードを示すことに留意されたい。しかし、これは、一般的なサイズの電気化学セルの製造実行については典型的であるが、そうである必要はない。例えば、本開示のアノード形成方法のいくつかの実施形態は、同じウェブ状アノード前駆体において異なるサイズのアノードを作製するように調整され得る。

【0042】

図６は、本開示の導電性コーティングの使用の有無にかかわらず、リチウム銅（Ｌｉ／Ｃｕ）アノード（厚さ２０μｍのＬｉ、Ｃｕの両側、厚さ８ μｍのＣｕ、約７０％から約９０％の炭素ブラックおよびＰＶＤＦで作製された厚さ１μｍのコーティング）のセルサイクル寿命性能を比較する放電容量に対してサイクル数のグラフである。このグラフのデータを得るために、ニッケル－マンガン－コバルト（ＮＭＣ）酸化物ベースのカソードおよび微孔性ポリオレフィンベースのセパレータを用いて構築された多層パウチセルにおいてサイクル寿命試験を行った。カソードおよびセパレータにおける孔は、Ｌｉ^＋導電性電解質で満たされる。電解質は、典型的には、炭酸塩またはエーテル系溶剤に溶かしたＬｉＰＦ_６またはＬｉＦＳＩなどのリチウム塩を含有する。セルは、Ｃ／５－１Ｃの充電－放電レートで２．５Ｖ～４．３Ｖの間でサイクルされた。

【0043】

図６に示されるように、銅集電体に本開示の導電性コーティングを含ませることにより、リチウムアノードを有するセルのサイクル寿命性能が向上することが分かっている。サイクル数が増加すると、高密なリチウムは、次第により多孔質構造になり、導電性コーティングは、多孔質リチウムと銅集電体基板との間の良好な電気的接触を維持するのに役立った。これは更に、より均一な電流密度分布および均一なリチウムメッキ／剥がしをもたらし、その結果としてサイクル寿命性能を向上させる。銅集電体において導電性コーティングを施したセルの最初の面積特性インピーダンス（ＡＳＩ）は、コーティングされていない銅集電体を含むセルと比較して高かったが（コーティングされている場合の～３８Ω－ｃｍ^２に対してコーティングされていない場合の～２８ Ω－ｃｍ^２）、セルサイクル数は次第に減少し、５００サイクル後、導電性コーティングを施したセルの相対ＡＳＩは、コーティングされていない銅集電体を含むセルと比較して低かった（コーティングされている場合の～８５Ω－ｃｍ^２に対してコーティングされていない場合の～９２ Ω－ｃｍ^２）。

【0044】

図３Ａの例示的なアノード３００の任意の導電性コーティング３１６などの本開示の導電性コーティングがアノードに存在する場合、本開示の積層方法を使用してアノードが作製される必要がないことに留意されたい。例えば、アノード３００のアノード活物質３１２と同等であるアノード活物質は、開発中または開発され得る他の潜在的な技術の中でも、蒸着などの別の方法を使用して適用され得る。

【0045】

図７は、本開示に従って作製された例示的な二次バッテリー７００を示す。特に、例示的なバッテリー７００は、複数のアノード７０８を含む積重ゼリーロール７０４を含む。複数のアノード７０８は、図３Ａの導電性コーティング３１６などの本開示の導電性コーティング（図示せず）を含むか、図２の積層方法２００などの本開示の積層方法を使用して作製されるか、または、その両方である。例示的な二次バッテリー７００の新規性は、アノード７０８自体の新規性から生じ得る。これは、それらの中に含まれる独特の導電性コーティング層（図示されていないが、例えば、図３Ａおよび３Ｂの導電性コーティング３１６を参照）の存在の観点から、および／または、従来の構成および製造されたアノードと比較して、改善されたサイクル寿命性能および／またはそれらから生じるより高い重量および体積エネルギー密度に加え、それらの面積サイズが従来の積層アノードの面積サイズよりも大きくなることによるものである。また、積重ゼリーロール７０４は、複数のセパレータ層７１６と、セパレータ層によってアノード７０８から電気的に分離された複数のカソード７２０とを含む。

【0046】

この例では、積重ゼリーロール７０４は、適切な電解質と共に、外包体（ここではパウチタイプの外包体７１２）内に封止される。適切な電解質は、図示されていないが、少なくともセパレータ層７１６（全てがラベル付けされているわけではない）に存在し、固体またはゲルタイプの電解質が使用される場合にはポリマー電解質の一部とみなされ得る。他の実施形態では、パウチ型外包体７１２は、特に剛壁外装体などの異なるタイプの外包体に置き換えられ得る。基本的に、外包体の種類は、積重ゼリーロール７０４および電解質を収容するための密封容積を提供することを含む必要な機能性を提供する程度においてのみ重要である。当業者は、パウチ型外包体７１２、または、特定の設計が含み得る他の型の外包体を構築するための技術および物質に精通している。その結果、外包体７１２についてのさらなる詳細は、当業者にしてみれば本明細書において必要ではなく、過度の実験なしに二次バッテリー７００が裏付けられる。

【0047】

上述のように、各アノード７０８は、上述のアノード３００の例と同様に、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウムまたはアルミニウム、あるいは、これらの任意の適切な組み合わせなどの任意の適切なアノード活性金属を含み得る。バッテリーの種類、例えばリチウム金属、ナトリウム金属、リチウム空気、リチウム硫黄などに応じて、各カソードは適切なカソード活物質を含む。１つまたは複数の実施形態では、カソードは、一般式Ｌｉ_ｘＭ_ｙＯ_ｚを有する。ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、ＦｅまたはＣｒなどの遷移金属である。

【0048】

１つ以上の実施形態では、それぞれのカソード７２０は、ＬｉＣｏＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５）Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ（Ｍｎ_１．５Ｎｉ_０．５）_２Ｏ_４、または、それらのリチウムリッチ版を備える群から選択される層状またはスピネル状の酸化物を備え得る。１つまたは複数の実施形態では、それぞれのカソード７２０は、Ｌｉ_ｘＭ_ｙＰＯ_ｚの一般式を有し得て、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、ＦｅまたはＣｒなどの遷移金属である。１つ以上の実施形態において、それぞれのカソード７２０は、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４またはＬｉＭｎＰＯ_４からなる群から選択されるリン酸物質であり得る。１つまたは複数の実施形態では、各カソード７２０は、カソード活物質粉末、ＰＶＤＦなどのポリマー結合剤、および、カーボンブラックなどの導電性希釈剤を備える多孔質コーティングを備え得る。１つまたは複数の実施形態では、各カソード７２０は、アルミニウム箔に多孔質コーティングを備え得る。１つまたは複数の実施形態では、各カソード７２０は、リチウムコバルト酸化物（またはコバルト酸リチウム）、リチウムマンガン酸化物（スピネルまたはマンガン酸リチウムとしても知られる）、リン酸鉄リチウムならびにリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（またはＮＭＣ）、および／または、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（またはＮＣＡ）を含み得る。１つまたは複数の実施形態では、それぞれのカソード７２０は、特に硫黄含浸コアシェル階層的多孔質炭素（ＨＰＣ）複合材、硫黄／グラフェンナノシート（ＧＮＳ）複合材、嚢状構造を有するｓｕｌｆｕｒ＠ｒＧＯ（還元型酸化グラフェン）複合材、および、ポリマー球形網目構造を有するＣ－Ｓ＠ＰＡＮｉ（ポリアニリン）複合材などのナノサイズおよびナノ構造の硫黄ベース複合材を備え得る。１つまたは複数の実施形態では、各カソード７２０は、集電体の周りに挟まれて次いでＰＴＦＥフィルムなどのポリマーフィルムで覆われる炭素層を備え得る。炭素層は、酸素還元反応速度を高めてカソード７２０の比容量を増加させる金属触媒を含み得る。金属触媒の例としては、マンガン、コバルト、ルテニウム、白金、銀およびこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。

【0049】

１つ以上の実施形態では、電解質が液体である場合、各セパレータ層７１６は、任意の１つ以上の物質から作製され得て、少なくとも１つは誘電体である。例えば、１つまたは複数の実施形態では、各セパレータ層７１６は、ポリプロピレンまたはポリエチレン、あるいは、それらの任意の適切な組み合わせ（例えば、混合物、層、コーティングなど）から作製され得る。当業者は、各セパレータ層７１６を作るために使用され得る様々な物質および構造を理解するであろう。

【0050】

電解質に関して、一例では、二次バッテリー７００はリチウム金属バッテリーであり、これは、充電および放電サイクル中にそれぞれリチウムイオンが堆積および剥離されるリチウム金属をアノード７０８が備えることを意味する。これに対応して、電解質は、充電および放電サイクル中に積重ゼリーロール７０４内でアノードおよびカソード７２０の間を流れるリチウムイオン（図示せず）を含む。したがって、この例では、電解質は、特に溶液、共融混合物または溶融状態などの適切な形態で１つまたは複数のリチウムベースの塩を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、特に、１つ以上の溶媒、１つ以上の性能および／または特性向上添加剤、および／または、１つ以上のポリマーを含み得る。電解質は、液体、ゲルまたは固体状態などの物質の任意の適切な状態であり得る。電解質の組成は、二次バッテリー７００のリチウム金属ベース版のためであろうと、別の種類の金属（例えば、特にナトリウム、カリウム、アルミニウム、マグネシウム）ベース版のためであろうと、問題の特定の用途に適した任意の組成となり得て、二次バッテリーの特定の具体化の設計者によって決定され得る。

【0051】

電解質に使用され得る例示的な塩は、特に、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩ、および、リチウムフルオロスルホニル（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＬｉＦＴＦＳＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢＯＢ、および、Ｌｉトリフラート、ならびに、それらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない。１つ以上の実施形態では、２つ以上の塩は、第１の塩Ｘ_１ ^＋Ｙ_１ ^－および第２の塩Ｘ_２ ^＋Ｙ_２ ^－を含む共融混合物などの共融混合物中で組み合わされ得て、ここで、Ｘ１^＋およびＸ_２ ^＋のそれぞれはアルカリ金属陽イオンであり、Ｘ１^＋はＸ_２ ^＋とは異なり、Ｙ_１ ^－およびＹ_２ ^－のそれぞれはスルホンイミド陰イオンであり、Ｙ_１ ^－はＹ_２ ^－とは異なる。１つまたは複数の実施形態において、Ｙ_１ ^－およびＹ_２ ^－は、ＦＳＯ_２Ｎ^－ＳＯ_２Ｆ（ＦＳＩ^－）およびＦＳＯ_２Ｎ^－ＳＯ_２ＣＦ_３（ＦＴＦＳＩ^－）からなる群から選択され得て、および／または、Ｘ_１ ^＋およびＸ_２ ^＋は、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｒｂ^＋およびＣｓ^＋からなる群から選択され得る。１つ以上の実施形態において、共融混合物は、第３の塩Ｘ_３ ^＋Ｙ_３ ^－をさらに含み得て、ここで、Ｘ_３ ^＋は、Ｘ_１ ^＋およびＸ_２ ^＋の各々と異なっている。１つ以上の実施形態において、Ｙ_１ ^－、Ｙ_２ ^－およびＹ_３ ^－は、ＦＳＯ_２Ｎ^－ＳＯ_２Ｆ（ＦＳＩ^－）およびＦＳＯ_２Ｎ^－ＳＯ_２ＣＦ_３（ＦＴＦＳＩ^－）からなる群から選択され得て、および／または、Ｘ_１ ^＋、Ｘ_２ ^＋およびＸ_３ ^＋は、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｒｂ^＋およびＣｓ^＋からなる群から選択され得る。

【0052】

１つ以上の実施形態では、電解質は、イミド塩、例えば、リチウムビスフルオロスルホニルイミド（ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）_２ ）、および、非プロトン性溶媒における過塩素酸塩を含み得る。フルオロスルホニル（ＦＳＯ_２）基を有する他のリチウムイミド塩、例えば、ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）（ＣＦ_３ＳＯ_２）、ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）が、リチウムビスフルオロスルホニルイミド（ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）_２）の代わりにまたは任意の組合せで使用され得る。１つ以上の実施形態において、過塩素酸塩は、ＬｉＣｌＯ_４を含み得る。１つ以上の実施形態において、過塩素酸塩は、０．０５モル／リットル～０．５０モル／リットルの有機溶媒の濃度を有する。１つ以上の実施形態において、過塩素酸塩は、ＬｉＣｌＯ_４、Ｃａ（ＣｌＯ_４）_２、Ｓｒ（ＣｌＯ_４）_２、Ｍｇ（ＣｌＯ_４）_２、Ｂａ（ＣｌＯ_４）_２およびそれらの任意の組合せまたは混合からなる群から選択される。

【0053】

１つまたは複数の実施形態において、電解質は、式Ｒ_１－（Ｏ－ＣＨ_２－ＣＨ_２）_ｎ－Ｏ－Ｒ_２のグライムを備え得て、ここで、ｎ＝１～４であり、Ｒ_１およびＲ_２のうちの少なくとも１つは、少なくとも２の炭素原子を有する炭化水素側鎖である。１つまたは複数の実施形態では、このような電解質は、フッ素化グライムおよびフッ素化エーテルからなる群から選択される希釈剤をさらに含み得る。フッ素化希釈剤は、ＤＥＥ(１，２－ジエトキシエタンまたはエチレングリコールジエチルエーテル）、ＤＰＥ(１，２－ジプロポキシエタンまたはエチレングリコールジプロピルエーテル）、ＤＢＥ(１，２－ジブトキシエタンまたはエチレングリコールジブチルエーテル）、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジプロピルエーテル、トリエチレングリコールジブチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジプロピルエーテル、テトラエチレングリコールジブチルエーテル等のような、より安定なより長い側鎖のグライム系溶媒の使用を可能にし得る。１つ以上の実施形態では、希釈剤は、フッ素化エーテル１，１，２，２－テトラフルオロエチル－２，２，３，３－テトラフルオロプロピルエーテル（ＴＴＥ）またはフッ素化エーテルビス（２，２，２－トリフルオロエチル）エーテル（ＢＴＦＥ）であり得る。１つ以上の実施形態において、希釈剤は、少なくとも１の酸素（－Ｏ－）結合および少なくとも１のフッ素（－Ｆ）置換を有する適切な炭化水素分子を含み得る。特定の例では、ＤＥＥおよびＴＦＥは互いに組み合わされる。１つ以上の実施形態において、この段落に従って作製される電解質の溶媒：希釈剤比は、約１０：９０～１００：０の範囲であり得る。１つ以上の実施形態では、溶媒：希釈剤比が約４０：６０～約９０：１０の範囲であることが望ましいとされ得て、１つ以上の実施形態では、溶媒：希釈剤比が約６０：４０～約８０：２０の範囲であることが望ましいとされ得る。

【0054】

１つ以上の実施形態において、電解質は、リチウムスルホンイミド塩の分子と少なくとも１つの無水エーテル系溶媒の分子との付加物から本質的になる無溶媒液リチウムスルホンイミド塩組成物であり得る。このような実施形態では、無水リチウムスルホンイミド塩に使用され得るリチウムスルホンイミド塩組成物の例には、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩおよび（ＬｉＦＴＦＳＩ）が含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。また、１つまたは複数の無水エーテル系溶媒に使用され得る無水エーテル系溶媒の例には特に、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、エトキシメトキシメタン、ジオキサンおよびクラウンエーテルが含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。一般に、任意のエーテル系溶媒が使用され得る。そのような実施形態において、少なくとも１のエーテル系溶媒の実質的に全ての分子は、少なくとも１のリチウムスルホンイミド塩の分子と配位結合している。１つ以上の実施形態において、少なくとも１のエーテル系溶媒は、無溶媒リチウムスルホンイミド塩組成物中に、無溶媒リチウムスルホンイミド塩組成物の５重量％未満の量で存在する。

【0055】

１つまたは複数の実施形態では、電解質は、炭酸エチレンまたは炭酸プロピレンなどの環状カーボネート、および、それらの誘導体を有機溶媒として含有する。１つまたは複数の実施形態では、電解質は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルまたは炭酸エチルメチルなどの線状カーボネートを含有する。１つまたは複数の実施形態では、電解質は、テトラヒドロフランまたはテトラヒドロピランなどの環状エーテル、および、それらの誘導体を有機溶媒として含有する。１つまたは複数の実施形態では、電解質は、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、トリグライムまたはテトラグライムなどのグライム、および、それらの誘導体を有機溶媒として含有する。１つ以上の実施形態において、電解質は、ジエチルエーテルまたはメチルブチルエーテルなどのエーテル、および、それらの誘導体を有機溶媒として含む。１つ以上の実施形態において、電解質は、Ｎ，Ｎ－ジアルキルスルファモイルフルオリドなどのスルホニル溶媒およびそれらの誘導体およびそれらの組み合わせを有機溶媒として含む。１つまたは複数の実施形態では、電解質は、同じ種類の有機溶媒の混合物、または、２種類以上の有機溶媒の混合物を含む。

【0056】

１つまたは複数の実施形態では、電解質は、ケイ酸リチウム、ホウ酸リチウム、アルミン酸リチウム、リン酸リチウム、酸窒化リチウム、オキシホウ化リチウム、ケイ硫化リチウム、ホウ硫化リチウム、アルミノ硫化リチウム、リン硫化リチウムおよびそれらの任意の組合せからなる群から選択される１つまたは複数の無機電解質を備え得る。１つ以上の実施形態では、電解質は、Ａｌが加えられたＬＬＺＯ（Ｌｉ_６．２５Ａｌ_０．２５Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２）ガーネット型酸化物、ペロブスカイト（Ｌｉ_０．２９Ｌａ_０．５７ＴｉＯ_３）、ＬＩＳＩＣＯＮ（Ｌｉ_１４ＺｎＧｅ_４Ｏ_１６）、ＮＡＳＩＣＩＯＮ（Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）₃）、ｔｈｉｏ－ＬＩＳＩＣＯＮ（Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２）、または、他のガラス（ＬｉＰＯＮ）またはガラスセラミック（７０Ｌｉ_２Ｓ・３０Ｐ_２Ｓ_５）ベースの物質、または、それらの混合物のような１つ以上の固体セラミック電解質を備え得る。１つまたは複数の実施形態では、電解質は、ＰＥＯ(ポリエチレンオキシド）、ＰＰＯ(ポリプロピレンオキシド）、ＰＡＮ(ポリアクリロニトリル）、ＰＭＭＡ(ポリメチルメタクリレート）、ＰＶＣ(ポリ塩化ビニル）、ＰＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＤＦ－ＨＦＰ(ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン）またはそれらの混合物を有する固体またはゲルベースのポリマー電解質を備え得る。

【0057】

電解質の前述の例は主にリチウムベースの塩に基づくが、当業者はリチウムベースの塩が適切な非リチウムベースの塩で置き換えられ得ることを理解するであろう。

【0058】

広くは本開示の電解質は、約０．１Ｍ～約１０Ｍの範囲の塩濃度を有し得て、一方、いくつかの実施形態では、塩濃度は、約１Ｍ～約５Ｍの範囲で所望され得て、他の実施形態では、塩濃度は、約２Ｍ～約３Ｍの範囲で所望され得る。

【0059】

また、例示的な二次バッテリー７００は、対応する電極７２８（１）～７２８（５）を介してカソード７２０の各々に電気的に接続された正極端子７２４を含む。同様に、リチウム金属バッテリーは、対応する電極７３６（１）から７３６（４）を介してアノード７０８のタブ７０８Ａに電気的に接続された負極端子７３２をさらに含む。

【0060】

本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および追加が行われ得る。上述した様々な実施形態の各々の特徴は、他の説明した実施形態の特徴と適宜組み合わせられ得て、関連する新しい実施形態において多数の特徴の組み合わせが提供される。さらに、上記ではいくつかの別個の実施形態が説明されたが、本明細書で説明されたものは、本発明の原理の適用の単なる例示に過ぎない。さらに、本明細書における特定の方法は、特定の順序で実行されるものとして図示および／または説明され得るが、順序は、本開示の局面を達成するために、通常の技術の範囲内で大いに変更可能である。したがって、本説明は、単に例として解釈されることを意味し、本発明の範囲を他の方法で限定することを意味しない。

【0061】

いくつかの局面では、本開示は、電気化学装置のためのアノードを対象とする。アノードは、集電体、第１の金属箔、および、第１の導電層を含む。集電体は、厚さおよび活性領域を有する。活性領域は、厚さの対向する側に第１および第２の側を有する。第１の金属箔は、活性領域の第１の側において集電体に固定される。第１の導電層は、集電体と第１の金属箔との間にあり、第１の金属箔を集電体に固定する。

【0062】

アノードの１つ以上の実施形態では、第１の導電層は導電性炭素層を備える。

【0063】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電性炭素層は、本質的に導電性炭素粒子および結合剤から構成される。

【0064】

アノードの１つ以上の実施形態において、導電性炭素粒子は、導電性炭素層の約７０重量％～約９０重量％の量で存在する。

【0065】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．１μｍ～約５ μｍの範囲の厚さを有する。

【0066】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．５μｍ～約２ μｍの範囲の厚さを有する。

【0067】

アノードの１つ以上の実施形態において、導電層は、約１μｍの厚さを有する。

【0068】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．１ｇ／ｍ２～約２ｇ／ｍ２の面積負荷で存在する。

【0069】

アノードの１つ以上の実施形態では、集電体は銅を備え、第１の金属箔はリチウムを備える。

【0070】

アノードの１つ以上の実施形態では、集電体は、約４μｍ～約１０ μｍの範囲の厚さを有し、第１の金属箔は、約１５μｍ～約２５ μｍの範囲の厚さを有する。

【0071】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、本質的に導電性炭素粒子および結合剤から構成される。

【0072】

アノードの１つ以上の実施形態では、、導電性炭素粒子は、導電性炭素層の約７０重量％～約９０重量％の量で存在する。

【0073】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．１μｍ～約５ μｍの範囲の厚さを有する。

【0074】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．５μｍ～約２ μｍの範囲の厚さを有する。

【0075】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約１μｍの厚さを有する。

【0076】

アノードの１つ以上の実施形態では、導電層は、約０．１ｇ／ｍ２から約２ｇ／ｍ２の面積負荷で存在する。

【0077】

アノードの１つ以上の実施形態では、アノードは、第２の金属箔と、第２の導電層とを含む。第２の金属箔は、活性領域の第２の側において集電体に固定される。第２の導電層は、集電体と第２の金属箔との間にあり、第２の金属箔を集電体に固定する。

【0078】

いくつかの局面では、本開示は、カソード、電解質、および、本明細書に記載のアノードのいずれか１つのアノードを備える電気化学装置を対象とする。

【0079】

代表的な実施形態が、上記で開示され、添付の図面で示された。本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で具体的に開示されたものに様々な変更、省略および追加が行われ得ることを当業者は理解するであろう。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7】